测控技术

电子设计专题讲座测控技术测控技术的发展测控技术是现代工业生产的核心,离开了自动化现代工业生产根本无法运转,随着近几十年来电子技术及计算机技术的飞速发展,自动控制理论及应用技术取得了非凡的成就,完成了从:简单复杂局部控制全局控制简单的位式控制高级智能控制核心三部分传感（已讲）---单片机----执行1、继电器继电器:当输入量(或激励量)满足某些规定的条件是能在一个或多个电器输出电路中产生跃变的一种器件．电磁继电器：利用输入电路内点路在电磁铁铁芯与衔铁间产生的吸力作用而工作的一种电气继电器。直流电磁继电器：输入电路中的控制电流为直流的电磁继电器。交流电磁继电器：输入电路中的控制电流为交流的电磁继电器。温度继电器：当外界温度达到给定值时而动作的继电器高频继电器：用于切换高频,射频线路而具有最小损耗的继电器。可控硅元件的工作原理及基本特性当阳极A加上正向电压时，BG1和BG2管均处于放大状态。此时，如果从控制极G输入一个正向触发信号，BG2便有基流ib2流过，经BG2放大，其集电极电流ic2=β2ib2。因为BG2的集电极直接与BG1的基极相连，所以ib1=ic2。此时，电流ic2再经BG1放大，于是BG1的集电极电流ic1=β1ib1=β1β2ib2。这个电流又流回到BG2的基极，表成正反馈，使ib2不断增大，如此正向馈循环的结果，两个管子的电流剧增，可控硅使饱和导通。由于BG1和BG2所构成的正反馈作用，所以一旦可控硅导通后，即使控制极G的电流消失了，可控硅仍然能够维持导通状态，由于触发信号只起触发作用，没有关断功能，所以这种可控硅是不可关断的。触摸式报警器Ｎ为触摸电极片，当人手触碰时，人体泄漏电流经电阻Ｒ１、Ｒ２注入ＶＴ１的发射结，使ＶＴ１导通，Ｃ２上的１２Ｖ直流电压经ＶＴ１、ＶＤ３向可控硅ＶＳ门极提供正向门极电流，使ＶＳ迅速开通，电容Ｃ４两端可获得３００Ｖ左右的直流高压。ＶＴ２、Ｒ４、Ｒ５、ＲＰ及Ｂ组成的负阻振荡器立刻起振，压电陶瓷片Ｂ就发出响亮的报警声。调节可变电阻器ＲＰ可改变报警声响的音调。人手离开电极片Ｎ后，三极管ＶＴ１迅速恢复截止态，但此时Ｃ３储存的电能可通过ＶＤ３继续为ＶＳ提供正向门极电流，故ＶＳ不会立即关断，电路依然报警。Ｃ３的电荷放完后，ＶＳ失去正向触发电流，当交流电过零时即关断。由于电路的发声器件是压电陶瓷片，电路功耗很小，Ｃ４储存的电荷仍能维持负阻振荡器工作一段时间，直至Ｃ４电荷放完，电路才停止报警。如果再次触碰电极片Ｎ，则电路又能立刻报警。由上面分析可知，电路存在两级延迟，所以不必使用大容量电容器就能获得较长的延迟时间，本电路每触碰一次Ｎ，报警时间约可维持３分钟左右。负阻振荡器由于工作在高压状态，输出波形峰峰值较高，所以报警音量比较大。触摸式报警器固态继电器是一种无触点通断电子开关,为四端有源器件。其中两个端子为输入控制端,另外两端为输出受控端,中间采用光电隔离,作为输入输出之间电气隔离(浮空)。在输入端加上直流或脉冲信号,输出端就能从关断状态转变成导通状态(无信号时呈阻断状态),从而控制较大负载。整个器件无可动部件及触点,可实现相当于常用的机械式电磁继电器一样的功能。由于固态继电器是由固体元件组成的无触点开关元件,所以与电磁继电器相比具有工作可靠、寿命长,对外界干扰小,能与逻辑电路兼容、抗干扰能力强、开关速度快和使用方便等一系列优点,因而具有很宽的应用领域,有逐步取代传统电磁继电器之势,并可进一步扩展到传统电磁继电器无法应用的计算机等领域。应用图（高压，大电流交直流开关,带隔离）ＯＵＴＩＮ２、双向直流电机Pwm控制直流电机双向直流电机桥式控制带正反转交流电机用继电器控制中正转反转３、步进电机步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（步进角）。您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。一般开环步进电机图1是一种四相可变磁阻型的步进电机结构示意图。这种电机定子上有八个凸齿，每一个齿上有一个线圈。线圈绕组的连接方式，是对称齿上的两个线圈进行反相连接，如图中所示。八个齿构成四对，所以称为四相步进电机。它的工作过程是这样的：当有一相绕组被激励时，磁通从正相齿，经过软铁芯的转子，并以最短的路径流向负相齿，而其他六个凸齿并无磁通。为使磁通路径最短，在磁场力的作用下，转子被强迫移动，使最近的一对齿与被激励的一相对准。在图1(a)中A相是被激励，转子上大箭头所指向的那个齿，与正向的A齿对准。从这个位置再对B相进行激励，如图1中的(b)，转子向反时针转过15°。若是D相被激励，如图1中的(c)，则转子为顺时针转过15°。下一步是C相被激励。因为C相有两种可能性：A—B—C—D或A—D—C—B。一种为反时针转动；另一种为顺时针转动。但每步都使转子转动15°。电机步长(步距角)是步进电机的主要性能指标之一，不同的应用场合，对步长大小的要求不同。改变控制绕组数(相数)或极数(转子齿数)，可以改变步长的大小。它们之间的相互关系，可由下式计算：Lθ＝360P×N式中：Lθ为步长；P为相数；N为转子齿数。在图1中，步长为15°，表示电机转一圈需要24步。一个四相电机可以作四相运行，也可以作二相运行。（必须采用双极电压驱动），定转子的展开图结构：电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。0、1/3て、2/3て,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3て，C与齿3向右错开2/3て，A‘与齿5相对齐，（A’就是A，齿5就是齿1）旋转：如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3て，此时齿3与C偏移为1/3て，齿4与A偏移（て-1/3て）=2/3て。如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3て，此时齿4与A偏移为1/3て对齐。如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3て这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A……通电，电机就每步（每脉冲）1/3て,向右旋转。如按A，C，B，A……通电，电机就反转。由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。4、计算机控制系统自动控制系统是在没有人直接参与的情况下，利用控制装置对受控对象进行控制操纵，使被控量按照参考输入保持常值或者跟随参考输入的变化规律而变化的。被控量：指系统的输出，它是受控对象中被控制的一个物理量，如速度控制系统中工作机械的速度、随动系统中的转角等。参考输入：又称给定值，它是对系统进行控制的给定输入.在控制系统中引进计算机，可以充分利用计算机的运算、逻辑判断和记忆等功能。在这里给定量和反馈量都是二进制数，为了信号的匹配，计算机的输入/输出两侧分别带有模/数(A/D)转换器和数/模(D/A)转换器：反馈量经过模/数转换器送入计算机，计算机接收了给定量和反馈量后，运用计算机中微处理器的各种指令，就能对该偏差值进行运算(如PID运算)，再经过数/模转换器输出到执行机构，便完成了对被控制量的控制作用。显然，要改变控制规律，只要改变计算机的程序就可以了。控制规律恒值系统。给定值都是恒定值，故这类系统称为恒值系统。随动系统。给定值(控制指令)是事先未知的时间函数的系统称为随动系统。在随动系统中，当指令信号变化时，工作机械便精确地复现着指令信号的变化规律。控制指令已预先知道的系统，称为程序控制系统。给定值操作的开环控制系统被控量(输出)不影响系统控制的控制方式称为开环控制。所以在开环控制中，不对被控量进行任何检测，在输出端和输入端之间不存在反馈联系。这种控制方式当被控对象或控制装置受到干扰，系统不能进行自动补偿，被控制精度难以保证。但是由于它的结构比较简单，所以在控制精度要求不高场合应用比较广泛。给定值被控量控制器执行机构被控对象闭环控制被控量参与系统控制的控制方式称为闭环控制。在闭环控制中，在给定值和被控量之间，除了有一条从给定值到被控量方向传递信号的前向通道外，还有一条从被控量到比较元件传递信号的反馈通道。控制信号沿着前向通道和反馈通道循环传递，故闭环控制又称反馈控制。干扰给定值被控量控制器执行机构被控对象检测装置－计算机控制系统１计算机给定值被控量数字控制器－模/数转换数/模转换执行机构被控对象检测装置计算机控制系统２控制装置干扰给定值(参考输入)偏差(误差)被控量(输出))被控对象检测装置控制器－放大元件执行机构反馈控制装置－5、过程通道的作用与分类在计算机控制系统中，为了实现对过程的控制，需要及时对被控对象的各种参数进行检测，并将其转换成计算机可以接收的数据形式送入计算机进行处理；处理后的结果还需变换成合适的控制信号输出至被控对象，以控制执行机构的动作。因此在计算机和被控对象之间，必须设置进行信息传递和转换的连接通道，即过程通道。通道分类过程通道根据信息的来源和类型不同，可以分为模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量输入通道、数字量输出通道四种。过程输入通道是为了检测系统状态而设置的检测通道。一般，反映系统状态的各种参数(如压力、流量、温度、速度、位置等)都是随时间变化的模拟量，它们可以过检测元件和变送器转换成相应的模拟电流或电压信号。但是由于计算机只能输入数字量，不能直接输入模拟量，所以它们必须通过模拟量输入通道转换成相应的数字信号后才能送入计算机。至于中的一些开关量、电平信号、脉冲量，以及一些数字传感器等产生的数字信号等，则应通过数字量输入通道。从本质上看，计算机控制系统的控制过程可以归纳为以下四个方面：(1)实时数据采集。对被控制量的瞬时值进行检测，并且将采样结果输入到计算机。(2)实时决策。对输入的实时给定值与被控量的数值进行处理后，按照预先规定的控制规律进行运算，则称实时决策，或简称决策。(3)实时控制。根据实时决策结果，适时地对执行装置发出控制信号。(4)信息管理。上述测、算、控、管的过程不断重复，使整个系统能按一定的动态(过渡过程)指标进行工作，且可对被控制量和设备本身所出现的异常状态及时进行监督并迅速做出处理，这就是计算机控制系统最基本的功能。控制过程中的实时概念，是指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间(采样间隔)内完成。如果计算机能够在工艺要求的时间范围内及时对被控参数进行测量、计算和控制输出，则称为实时控制。6、数据采集数据采集与处理是每个计算机控制系统都必须具备的基本功能。对于数据采集系统而言，它的主要任务是把环境状态的各种工艺参数(如温度、压力、流量等)送入计算机进行计算、处理。所得结果不仅作为操作指导信息输出显示，还可进行打印、存储、传送等操作。此外，数据采集系统还可以根据计算结果判断生产状态是否正常，如果发现异常，还会自动进行报警。数据采集系统的构成显示打印报警计算机接口电路模拟量输入通道数字量输入通道生产过程（1）模拟量输入通道信号的采样和量化在计算机控制系统中，要将各种模拟信号输入计算机，就必须先将其转换为数字信号。将模拟信号转换成数字信号的过程，是通过信号采样和量化实现的。采样过程信号采样就是将连续的模拟信号，通过采样开关按一定时间间隔的闭合和断开，将其抽样成一连串离散脉冲信号的过程。这一过程也称为离散化过程。模拟量输入通道的组成模拟量输入通道由于应用要求和系统本身特点的不同，可以采用不同的结构形式。目前普遍采用的是多路通道共享采样/保持器(S/H)和A/D转换器的结构形式，其一般组成框图如图模拟量输入通道的一般结构采样周期f(t)tOf(t)Sf*(t)f*(t)t0T2T4T6T(a)被采样信号(b)采